材料分拣控制系统研究

段晓龙

一、课程设计项目

设计一条对物料进行材质辨别、分拣及统计的生产线系统。系统由供料机构、气动机械手、交流变频皮带输送线、物料辨别传感器、物料分拣气缸、PLC模块、变频器模块、电源模块、按钮指示灯模块等组成。

1.系统的工作要求

（1）系统的原点位置：机械手处于在左边、上升、缩回和气动手指张开位置，提升机构在下降位置，皮带输送线停止，物料分拣气缸在后退位置。

（2）处于停止状态而且处于原点位置时，按下启动按钮SB5，系统启动，运行指示灯HL1亮。

（3）启动后，物料提升架上的物料检测光电传感器开始检测，如无料，则待料指示灯HL2闪亮，同时启动供料盘旋转，送料至物料提升位置；如供料盘运行15秒后都没有物料到达物料提升架，报警器报警；当有工件到达提升架时，报警声停。

（4）当提升架的光电传感器监测到工件后，就立刻将工件提升到位，此时机械手臂立刻伸出来取工件；当机械手将工件取走1S后，供料盘的提升架就自动下降复位待料。

（5）机械手的动作为伸出、下降，短暂延时后用气爪将工件夹紧，气爪将工件夹紧1s后，就上升、缩回，转动至右限位位置，然后再伸出、下降，气爪在皮带传送机处于无工件传送和分拣的状态下放松，将工件放到传送带上位置B的下料孔。

（6）机械手放下工件后立刻上升、缩回，转动至左侧限位位置，继续进行工件传送。

（7）当皮带传送机进料位置的光电传感器检测到工件后，皮带传送机的交流电机立刻启动，以中速运转传送工件。当工件到达C位置时，电感开关检测工件的材料，若是金属件，拖动皮带的交流电机立刻停止，由C位置的推料气缸把物料推到第一个斜槽；如为非金属，拖动皮带的交流电机立刻转为低速运行，到达D位置时，拖动皮带的交流电机立刻停止，由D位置的推料气缸把物料推到第二个斜槽。C位置和D位置的推料气缸伸出到位后都需要马上缩回。

（8）系统分为单周期和连续两种工作方式，由开关SA1进行切换，SA1打向左边为单周期，SA1打向右边为连续。单周期是指系统启动后系统只进行一个工件的传送和分拣，在一个工件分拣完成后，需再次按下启动按钮SB5，系统才能进行下一个周期的运行。连续是指系统启动后会连续不断地进行工件的传送和分拣。

（9）系统在单周期运行状态下，点按一下停止按钮SB6，系统暂停在当前状态，运行指示灯HL1闪亮，再按启动按钮SB5时，系统从当前状态继续运行。系统在连续运行状态下，点按一下停止按钮SB6，系统在完成当前工件的传送分拣工作后停止在原点位置，再次按下启动按钮SB5，系统又启动运行。

（10）系统在任何状态下，当持续按下停止按钮SB6三秒钟，系统自动复位回到原点位置。

（11）在对工件进行物料辨别、分拣过程中，如供料盘连续提供的5个物料都是金属件和非金属件有规律交错排列的，则指示灯HL4亮；如供料盘连续提供的5个物料都是2个金属件和1个非金属件有规律交错排列的，则指示灯HL5亮；如供料盘连续提供的5个物料都是1个金属件和2个非金属件有规律交错排列的，则指示灯HL6亮；当连续三个工件都为金属件或非金属件时，则指示灯HL4、HL5和HL6全亮。系统复位时，统计结果清除。

2.设计调试应满足的要求

（1）生产工艺要求

①能正确判断工件材质的金属和非金属件：用电容和电感传感器实现；

②能准确输送工件：输送机与机械手能准确定位并输送工件；

③面板开关由按钮模块控制；

④皮带传送机中速的频率为25HZ，低速的频率为10HZ。变频器的加减速时间均设为0.2S。

（2）選料要求

①PLC采用三菱FX2N—48MR型；

②变频器采用三菱E-500型；

③其它的模块选型见实物。

（3）生产线保护要求

①原点位置保护。系统启动前，必须确保系统在原点位置，此时，原点指示灯HL3发光。当有任何一个元件不在原点位置时，原点指示灯HL3闪烁（每2秒内烁1次），系统不能起动。

②紧急停止保护，系统设置急停按钮。按下急停按钮后，系统运行全部停止。急停按钮恢复正常状态时，系统应在复位到原点后才能重新启动。

二、根据上述要求，完成以下工作任务

设计电气原理图，包括PLC的I/O接线图，变频器的接线图及动力接线图等。

PLC步进指令的状态功能图及梯形图。

编写调试大纲。

上机完成系统的调试。通电运行能正确完成生产线的工作任务和要求。

三、I/O点的分配

1.I/O的确定

（1）I点

按钮信号有2个：启动X21、停止X22；位置信号有17个：X0-X7，X10-X17，X20；安全信号有1个：紧急停止X23；方式选择开关1个：单周/连续X24；共21点，考虑余留10%～20%，故确定用24～26个点。

（2）O点

执行机构17个：Y0-Y7，Y10-Y17，Y20；指示灯6个：Y22-Y27；报警1个：Y21；共24个，考虑余留10%～20%，故确定用26～29个点。

2.确定PLC的型号

根据I/O点数可考虑用FX2N—48MR，可不加扩展块。

四、调试大纲

本生产线选用三菱FX2N-48MR的可编程控制器，三菱E500型的变频器以及位置、光电传感器等。该生产设备适用于海拔高度在2km以下，环境温度为0℃～55℃，环境湿度为35%～89%RH9不结露，周围环境通风良好，禁止有腐蚀性气体，严禁尘埃，考虑防震，抗干扰。

1.调试前准备工作

在调试之前应检查PLC、变频器的电源线和接地线是否连接正确、可靠，最好把PLC的接地线与变频器的接地线分开接地，以免互相干扰。手动调试各控制开关、按钮及传感器气缸位置，观察传感器开关指示灯是否正常工作，PLC输入端口的指示灯是否正确。若指示不正确应调整PLC输入口接线。

2.调试步骤

PLC程序的调试过程分为模拟调试和现场调试两个过程。

在做了调试前的准备工作之后，可采用试验程序对外部接线作扫描通电检查来进行程序和接线的互查。为了安全考虑，最好将主电路先断开，当确认接线无误之后，再连接主电路，将程序送入用户程序存储器进行调试，直到各部分功能能够协调一致地工作。

（1）程序的模拟调试

本生产线根据功能分为转盘供料机构模块、机械手模块、和分拣传输模块、按钮模块和显示模块。以下是对本生产线分模块调试：将设计好的程序写入软件，通过软件的程序检查功能来检查程序有无语法、电路、双线圈等错误。写入PLC之后，通过开关按钮模拟实际输入信号，观察PLC输出量的变化以及限位开关触点的接通和断开。

①转盘供料机构

将程序分为三部分，调试程序的转料盘供料机構部分程序。当按下启动按钮X21之后，无料时，确定待料指示灯Y23是否有输出，是否闪亮，如无闪亮，检查程序是否正确，接线是否正确等。同时观察转盘有无转动，当转盘将料送至提升架，即X0=1时，Y5有无输出；当提升架提升之后，X0=0时（人为将料取走），1秒之后提升架Y6下降。

②机械手传送部分

当X0=1，X5=1两者条件都满足时，机械手手臂有无伸出（置位Y12）；当X6=1时，置位Y11，X4=1时，停留0.5秒之后，输出Y7。此步当中的停留时间，判断是否满足工艺要求，如在夹紧过程中，晃动较为严重，可适当延长时间，同时也要兼顾工作效率。当工件夹紧之后，停留1秒，与上面的调整同理。紧接着，查看机械手上升、回缩、转右、伸出、下降、松开、上升、缩回、转左等的输出是否按照顺序依次。如果工作方式在连续状态下，查看在有料情况下，机械手是否继续动作。

③分拣机构

当X12=1时，输出Y0和Y3，同时累积型计数器开始计时。计时到（计时时间通过现场调试完成）X13=1时，输出Y15；当X13=0时，输出Y0和Y2；当X14=1时，延时0.5秒，输出Y17。在这里延时主要是考虑检测开关，只要工件到了检测范围，就会使Y17推出，这样会推出不一定在正中位置，因此需延时，延时时间的长短可通过现场调试完成。

（2）现场调试

通过现场调试，一则调试相关数据，二则调试按钮模块和指示灯模块，三则确定是否满足功能要求。

①调试相关数据

主要确定金属与非金属件判别时中低速时间的转换。如机械手下降之后立刻夹紧工件，可能会由于机械手的晃动使得加紧不是很牢固，因此，可在此加延时。时间的长短，通过不断修改相应数据，观察机械手加紧情况，同时考虑工作效率，最终确定延时时间。金属与非金属件判别时中低速时间的转换，当有料时，交流传送带中速运行，通过测定金属件到达电感开关的时间，设定非金属工件速度转变的时间。

②按钮功能的调试

系统分为单周期和连续两种工作方式，SA1打向左边为单周期，当系统处于单周期运行时，点按一下停止按钮SB6，系统暂停在当前状态，运行指示灯HL1闪亮，再按启动按钮SB5时，系统从当前状态继续运行。SA1打向右边为连续，系统在连续运行状态下，点按一下停止按钮SB6，系统在完成当前工件的传送分拣工作后停止在原点位置，再次按下启动按钮SB5，系统又启动运行；系统在任何状态下，当持续按下停止按钮SB6三秒钟，系统自动复位回到原点位置。

指示灯的调试。在对工件进行物料辨别、分拣过程，按下启动按钮之后，人为的有规律放下如下情况的物料。观察相对应的指示灯是否亮。如供料盘连续提供的5个物料都是金属件和非金属件有规律交错排列的，则指示灯HL4亮；如供料盘连续提供的5个物料都是2个金属件和1个非金属件有规律交错排列的，则指示灯HL5亮；如供料盘连续提供的5个物料都是1个金属件和2个非金属件有规律交错排列的，则指示灯HL6亮；当连续三个工件都为金属件或非金属件时，则指示灯HL4、HL5和HL6全亮。系统复位时，统计结果清除。

③联机调试

按启动按钮，让生产线自动运行，观察控制功能是否符合生产要求。观察机械手的动作是否到位，可有适当的延时；观察各步动作的连续性，是否满足功能工艺要求。